7&8-2002 NGHIÊN CỨU GIẤY TRÁNG PHỦ BẰNG PHƯƠNG PHAP PHAN XA TOAN PHAN SUY GIẢM THEO PHƯƠNG NGANG HATR Nguyễn Văn Đến Trường Đại học Khoa học Tư nhiên, ĐHQG-HCM Bài nhận ngày 26 tháng 4
Trang 1Science & Technology Development, Vol.'G, No 7&8-2002
NGHIÊN CỨU GIẤY TRÁNG PHỦ BẰNG PHƯƠNG PHAP PHAN
XA TOAN PHAN SUY GIẢM THEO PHƯƠNG NGANG (HATR)
Nguyễn Văn Đến Trường Đại học Khoa học Tư nhiên, ĐHQG-HCM (Bài nhận ngày 26 tháng 4 năm 2002)
TÓM TẮT: Khảo sát các lớp phủ trên bể mặt các vật liệu, đặc biệt là các chất hữu cơ bằng phương pháp phản xạ toàn phân suy giảm theo phương ngang HATR đã chứng tỏ khả năng vượt trội của nó so với hai phương pháp cũng cùng là quang phổ dao động đó là Raman, hấp thu hồng ngoại Trong công trình này, chúng tôi sẽ trình bày một số kết quả khảo sát thành phần lớp phủ của hai loại giấy có tráng lớp phủ là giấy tráng phấn, giấy art Phổ FT-HATR của chúng cũng được giới thiệu để minh họa
1 GIỚI THIỆU PHƯƠNG PHÁP
Phương pháp quang phổ phản xạ bên trong (Internal Reflection Spectroscopy) hay còn được gọi là quang phổ phẳn xạ toàn phan suy gidm (Attenuated Total Reflectance, ATR)
là một kỹ thuật linh hoạt, không phá mẫu để do phổ bể mặt của vật liệu hoặc phổ của các vật liệu quá dày hoặc hấp thu quá mạnh khi sử dụng phương pháp truyền qua Hình 1 là sơ
đổ nguyên tắc của phương pháp này
Hình 1 Sơ đỗ phần xạ toàn phần bên trong:
H ở dy IRE: phần tử phản xạ bên trong; nị: chiết
Ậ suất của IRE; nạ: chiết suất của mẫu với
r
Trong kỹ thuật này, mâu được đặt tiếp xúc với phân tử phản
xợ bên trong (Internal Reflection
Element, IRE), ánh sáng bị phản xạ toàn phần một vài lần Ánh sáng tới
tương tác với mẫu dẫn đến việc bức
b) WA IRE ay nể (hình 1) Phân tử phần xạ IRE được
` làm từ những vật liệu có chiết suất
lớn, chẳng hạn như zinc selenide
brotuide (KRS-5), Ge,
Để thu được sự phẩn xạ toàn phần bên trong, góc của bức xạ tới 9 phải lớn hơn góc tới hạn 9., [2] với:
Trang 68
Trang 2TAP Hi PHAT TRIEN KHCH, TAP 5, $6 788/202
Cái làm cho phương pháp ATR trở nên một kỹ thuật mạnh là do cường độ của ánh sáng tới suy giảm theo hàm số mũ theo khoảng cách tính từ bé mặt của IRE Thông thường
độ xuyên sâu hiệu dụng là nhỏ hơn bước sóng nên nói chung hiệu suất phản xạ toàn phần bên trong không bị ảnh hưởng bởi độ dày của mẫu Điều này cho phép phương pháp này có
thể phân tích các mẫu có độ dày lớn và hấp thu mạnh Độ xuyên sâu d; được định nghĩa như
là khoảng cách đòi hỏi để biên độ trường điện từ gidm đi e"' lan so với giá trị của nó tại mặt phân cách:
À
* 2nysin? 0 = n?,
Mặc dù phổ A7R và phổ truyền qua của cùng một mẫu là rất giống nhau, nhưng cũng
có sự khác nhau là do sự ảnh hưởng của độ xuyên sâu lên bước sóng Bức xạ có bước sóng
dài hơn sẽ xuyên sâu hơn vào mẫu, do đó trong các dải phổ ATR ở vùng bước sóng dài có
cường độ mạnh hơn ở vùng bước sóng ngắn
Độ xuyên sâu cũng phụ thuộc vào góc tới của ánh sáng tới; do đó, vơi góc tới 45° sẽ
có độ xuyên sâu lớn, được sử dụng để phân tích các hợp chất hữu cơ, hơn là với góc 60° sé tạo nên phổ có cường độ yếu hơn do độ xuyên sâu bị giảm
Mức độ tiếp xúc vật lý giữa mẫu và phần tử IRE xác định độ nhạy của phổ ATR
Để đạt được độ nhạy tốt, người ta sit dung b6 ATR phan xạ nhiều lần được thiết kế nằm
ngang (HATR) mà ở đó mặt trên là bể mặt mẫu [1, 3] Bằng cách này, đã thu được nhiều
phổ chất lượng tốt của nhiều vật liệu mà đối với chúng, chúng ta sẽ gặp khó khăn khi sử dụng phương pháp truyền qua thường dùng, chẳng hạn như các mẫu dạng bột, bột ni.ão, keo
dán, các lớp phủ, cao su, màng dày, hàng dệt, giấy, mỡ động vật, các chất lỏng sển sệt, [1]
Phương pháp ATR cũng rất phù hợp đối với các mẫu lỏng Hầu hết các mẫu lỏng đều yêu cầu quãng đường đi của ánh sáng trong mẫu rất ngắn; ví dụ, đối với các mẫu dung dịch, quãng đường này không lớn hơn 15 m Điểu này làm cho việc thiết kết các cuvét cho
phương pháp truyền qua do trở ngại của dòng chảy của chất lỏng; hiện tượng giao thoa cũng
xây ra do không gian quá nhỏ giữa các cửa sổ hồng ngoại có chiết suất cao Vấn để khó khăn này sẽ được giải quyết trong phương pháp ATR bằng cách sử dụng các cuvét ATR đặc biệt dành cho chất lỏng, ở đó phần tử IRE được bao quanh bằng một bầu chứa mà chất lỏng
cần khảo sát được đổ vào đó
Với hệ thống quang học được thiết kế thiết kế tối ưu và với các phần tử IRE cố định, các cuvét này cho quãng đường đi có độ lập lại cao có khả năng phục vụ cho việc phân tích định lượng các chất lỏng và các dung dịch Các cuvét ATR chất lỏng có thể ứng dụng để
theo dõi các quá trình hoàn toàn tự động, trực tuyến của các chất lỏng và chất lỏng nhớt
Thêm vào đó, với các module biến đổi quang học phù hợp chẳng hạn như hệ thống Axiot có thể sử dụng với các cuvét chất lỏng bên ngoài buồnz chứa mẫu của quang phổ kế FT-IR Điều này là quan trọng đối với các ứng dụng trực tuyvn mà ở đó không dẫn mẫu vào quang
phổ kế mà thực hiện việc phân tích tại những vị trí theo yêu cầu ngay cả ở trong môi trường
khói hoặc trên dây chuyển sản xuất
Trang 69
Trang 3Science & Technology Development, Vol §, No 788-2002
Với một đầu dò ATR, có thể đo được các phổ FT-IR in situ hoặc theo dõi các quá trình phản ứng, phân tích các chất thải độc hại, Hiện tại, phòng thí nghiệm chúng tôi có 3
bộ cuvét ATR:
(1 Phản xạ toàn phần suy giẩm theo
>e phudng ngang (Horizontal Attenuated
i Total Reflectance, HATR)
(2) Phẩn xạ 30 độ (30 Degree
Specular Reflectance, 30 Spec)
(3) Phan xa khuyếch tán (Difuse Reflectance, EasiDiff)
—
aie
——
115739
——131474 ——1515.08
1649.86 1699.81
Chúng tôi sử dụng bộ cuvét thứ
nhất trong công trình này vì nó phù hợp với điều kiện mẫu nghiên cứu
1000 1500 2000 2500 3000 3500
'Wavenunber cm-1
II THỰC NGHIỆM
Phương pháp quang phổ Raman và phổ hồng ngoại truyền qua gặp khó khăn
sm trong việc nghiên cứu các lớp phủ bể mặt,
chẳng hạn như các lớp phủ của một số loại giấy như giấy “art”, giấy tráng phấn (từ
chuyên môn của ngành giấy là coated
pAaper), giấy tráng dung môi (solvent coated paper), giấy tráng nhủ tương
(emulsion coated paper), [4] Để khắc phục, chúng tôi sử dụng phương pháp ATR
như giới thiệu trên Phương pháp này có
Hình 2a Phổ HATR của giấy HTRH Trung Quốc
(mặt không phủ)
1424.23
1649.83
2360.66
2922.69
m —-— ch thu in situ bé mặt của vật liệu khảo sát mà
Hình 2b Phổ HATR của giấy HTRH Trung Quốc Paes geen phụ meu bay, Wn BMIÒN: công
(mặ có phủ) chuẩn bị mẫu như phương pháp hấp thu
thông thường
Bởi vì giấy và bột giấy có dạng tấm mồng, nên chúng tôi chọn phương pháp phản xạ toàn phần suy giảm theo phương ngang (Horizontal Attenuated Total Reflectance, HATR) la
thích hợp nhất
Hình 2a và 2b là phổ HATR của giấy tráng phấn HTRH sản xuất tại Trung Quốc
tương ứng của mặt không phủ và của mặt có phủ Các phổ được ghi trong điều kiện: phân tử
phan xa lam bang Zinc Selenide cd d6 day 4 mm, chiéu dai 80 mm vdi sé lần phần xạ12 và
góc tới là 45 độ
II KẾT QUẢ - THẢO LUẬN
Trước tiên, có thể nhận thấy rằng, phổ HATR ở vùng tần số cao (vùng 2900 cm'}) có
cường rất thấp so với phổ IR và Raman, bởi vì theo biểu thức (2) sóng tới có bước sóng dài
(tần số thấp) có khả năng xuyên sâu hơn sóng có bước sóng ngắn (tần số cao)
Trang 70
Trang 4TAP CHi PHAT TRIEN KUCH, TAP 5, SỐ 7&8/2002
Các đỉnh vùng 2360 cm” là do khí CO; trong không khí trong buồng chứa mẫu khi ghi
phổ
Có sự khác biệt trong vùng 600 — 1700 cm giữa hai phổ đo có sự xuất hiện của đỉnh
phổ của lớp phủ trong phổ ở hình 2b Đây là các đỉnh phổ của các vật liệu được sử dụng làm chất độn: titanium đioxide TiO;, cao-lanh, các chất kết dinh: polyvinyl acetate, polystyrene
butadiene [2] Nhận xét và kết luận tương
sọ 2000 2500 2000 „» — tự cho giấy “art” HONG WON của Hàn
IV KET LUAN
Phương pháp HATR đã chứng tỏ khả năng vượt trội hơn phương pháp hấp
thu hồng ngoại và cả Raman khi khảo sát,
phân tích các loại giấy có lớp phủ mỏng Một điều hết sức thuận lợi là phương
pháp này có thể thực hiện ngay trên thiết
bị FT-IR-Raman của chúng tôi chỉ cần lắp thêm một bộ cuvếét ATR phù hợp (trong bài báo này là cuvét HATR)
Với phương pháp HATR, trong tương lai chúng tôi sẽ mở rộng nghiên cứu sự biến đổi
tính chất các bể mặt dưới tác động của điều kiện môi trường (vật lý, hóa học) cho các loại
vật liệu khác
1000 1500 2000 2500 3000
Wavenumber cm-1
Hình 3 Phổ HATR của siấv art HONG WON (Korea)
Trang 71
Trang 5Science & Technology Development, Vol 5, No 7&8-2002
STUDYING THE COATED PAPER USING THE METHOD OF HATR
Nguyen Van Den
University of Natural Sciences, VNU-HCM
ABSTRACT: The method of horizontal attenuated total reflectance has shown the domination in comparing with IR and Raman methods in studying of coatings on surface of materials, especially organic compounds In this work, we present the results of analysing components of the coating of two kinds of coated paper which are products of China and Korea using the method mentioned Their FT-HATR spectra recorded by EQUINOX 55/FRA -106/S with a cell HATR are also shown
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Huỳnh Thành Đạt, Dương Ái Phương, Nguyễn Văn Đến, Nghiên cứu bột giấy bằng các
phương pháp quang phổ, đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ (2001)
DI R.C Kenton and R L Rubinovitz, FT-Raman investagations of forest products, Applied
spectroscopy, Vol 4, No 8, p.1377-1380, (1990)
[3] R.G Messerschmidt, Appl Spectrosc 40 (1986)
[4] Tiêu chuẩn số 24 TCN 81-2000, Bội giấy, và các tông thông dung — thudt ngit, Tap chi Công nghiệp giấy số 1 (2000), Bộ Công nghiệp
Trang 72